(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のパイプと流体連通する空洞を画定する熱接触板と、
それぞれが空洞を画定する複数の静止要素であって、各空洞が、前記第１のパイプと流体連通し、少なくとも一つの空洞が吸上げ芯を含む、複数の静止要素と、
複数の可動要素であって、前記可動要素と前記静止要素は、略平行に交互に配置され、前記可動要素の一部は、前記静止要素の一部と重なり合う、複数の可動要素と、
前記第１のパイプ内、前記静止要素により画定される空洞内、および、前記熱接触板により画定される空洞内の作動流体と、を含む装置。
【請求項２】
前記吸上げ芯は焼結粒子を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記吸上げ芯は、１０μｍから１００μｍの範囲の高さ、５００ｎｍから５０μｍの範囲の幅、５００ｎｍから５０μｍの範囲の長さ、および５００ｎｍから５０μｍの範囲のピッチを有する一連の柱を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
６４立方インチを超えない全体積を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
５ｃｍ〜１０ｃｍ×５ｃｍ〜１０ｃｍ×５ｃｍ〜１０ｃｍの範囲の全体寸法を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記静止要素、前記可動要素、前記熱接触板、または前記第１のパイプは、銅、アルミニウム、シリコン、黒鉛、鋼、ステンレス鋼、チタン、ダイアモンド、銀、グラフェン、これらの合金、およびこれらの混合物から成る群から選択される材料を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記作動流体は、水、アンモニア、メタノール、エタノール、およびこれらの混合物から成る群から選択される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記作動流体は、４０℃から１５０℃の範囲の蒸発温度を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記静止要素および対応するパイプの区画は、モノブロックから形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記静止要素の上面より上に一定の距離だけ延びる第１パイプ区画と、前記静止要素の底面より下に一定の距離だけ延びる第２パイプ区画と、互いに等距離に積層される複数の静止要素と、を更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１のパイプの直径は１ｍｍ未満である、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１のパイプの直径は５ｍｍ未満である、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
０．５Ｋ／Ｗ未満の全体熱抵抗を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記装置は、０．２５ｋＷから１ｋＷの熱を放散できる、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
負荷からの熱を低減する方法であって、
空洞を画定する熱接触板に前記負荷から熱を伝達し、
吸上げ作用によって、前記熱接触板によって画定される前記空洞から、前記熱接触板とは異なる第１のパイプを介して、静止要素によって画定される空洞内に作動流体を送り、
前記可動要素と交互に配置された静止要素に対して可動要素を回転させること、を含む方法。
【請求項１６】
前記可動要素の少なくとも一部は、前記静止要素の一部と重なり合う、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記可動要素はモータにより回転される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
焼結粒子を用いて前記作動流体を吸上げる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
１０μｍから１００μｍの範囲の高さ、５００ｎｍから５０μｍの範囲の幅、５００ｎｍから５０μｍの範囲の長さ、および５００ｎｍから５０μｍの範囲のピッチを有する一連の柱を用いて前記作動流体を吸上げることを更に含み、
前記柱は、前記第１のパイプおよび前記静止要素により画定される空洞のいずれか一つの内面から延びる、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記熱は、全体積が６４立方インチを超えない装置を用いて低減される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記熱は、全体寸法が５ｃｍ〜１０ｃｍ×５ｃｍ〜１０ｃｍ×５ｃｍ〜１０ｃｍの範囲である装置を用いて低減される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記作動流体は、水、アンモニア、メタノール、エタノール、およびこれらの混合物から成る群から選択される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
前記作動流体は、４０℃から１５０℃の範囲の蒸発温度を有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
前記熱は、０．５Ｋ／Ｗより低い全体熱抵抗を有する装置を用いて低減される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
０．２５ｋＷと１ｋＷの間の熱が、前記負荷から放散する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２６】
負荷からの熱を低減する方法であって、
それぞれが空洞を画定する複数の静止要素であって、各空洞が、第１のヒートパイプと流体連通し、少なくとも一つの空洞が吸上げ芯を含む、複数の静止要素を提供し、
前記静止要素と交互に配置されるとともに一部が前記静止要素の一部と重なり合う可動要素を、前記静止要素に対して移動して、前記静止要素の間で空気を流動させる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００９年１月６日に出願された米国仮出願第６１／１４２，７２２号の優先権を主張するものであり、前記出願は、その開示内容全体を本明細書の一部として援用する。
【０００２】
本発明は、国防総省高等研究計画局（ＤＡＲＰＡ：Ｄｅｆｅｎｓｅ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｐｒｏｊｅｃｔｓ  Ａｇｅｎｃｙ）により認定された認可番号第Ｗ３１Ｐ４Ｑ−０９−１−０００号に基づき、米国政府による支援を受けて為されたものである。米国政府は、本発明に特定の権利を有する。
【０００３】
本発明は、熱交換器およびその用途に関する。
【背景技術】
【０００４】
半導体チップデバイス（例えば、コンピュータ）および通信機器など、多くの電子的装置は動作中に熱を発生する。この熱は、装置の性能、もしくは耐用年数、またはその両方に悪影響を与え得るため、長い期間に亘って適切に装置を稼働させるためには、これらの装置を冷却しなければならない。装置は、例えば、装置に冷気を吹き付ける、または熱せられた空気を装置から除去するファンを用いて冷却することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】クルペンキン（Ｋｒｕｐｅｎｋｉｎｇ，Ｔ．Ｎ．）、Ｊ．Ａ．テーラー（Ｔａｙｌｏｒ）、Ｅ．Ｎ．ワング（Ｗａｎｇ）、Ｐ．コロナー（Ｋｏｌｏｄｎｅｒ）、Ｍ．ホーデス（Ｈｏｄｅｓ）、およびＴ．Ｒ．サラモン（Ｓａｌａｍｏｎ）著、「Ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ  Ｗｅｔｔｉｎｇ−Ｄｅｗｅｔｔｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ  Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅｓ（電気的に調整可能な超疎水性ナノ構造表面における可逆的ウェッティング−ディウエッティング変換）」、Ｌａｎｇｍｕｉｒ，２００７  ２３（１８）ｐ．９１２８−９１３３。
【非特許文献２】アーノルド（Ａｒｎｏｌｄ，Ｄ．Ｐ．）他による「Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ  Ａｘｉａｌ−Ｆｌｕｘ  Ｍｕｌｔｉｗａｔｔ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ−Ｍａｇｎｅｔ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ−Ｐａｒｔ  Ｉ：Ｍｏｄｅｌｉｎｇ（微細加工された高速軸方向磁束マルチワット磁石発電機−第１部：モデリング）」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６．１５：ｐ．１３３０−５０。
【非特許文献３】アーノルド（Ａｒｎｏｌｄ，Ｄ．Ｐ．）他による「Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ  Ａｘｉａｌ−Ｆｌｕｘ  Ｍｕｌｔｉｗａｔｔ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ−Ｍａｇｎｅｔ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ−Ｐａｒｔ  ＩＩ：Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ｔｅｓｔｉｎｇ（微細加工された高速軸方向磁束マルチワット磁石発電機−第２部：設計と試験）」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６．１５：ｐ．１３５１−６３。
【非特許文献４】アーノルド（Ａｒｎｏｌｄ，Ｄ．Ｐ．）他による「Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｎ  ８−Ｗａｔｔ  ｍｉｃｒｏｓｃａｌｅ  ａｘｉａｌ−ｆｌｕｘ  ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  ｍａｇｎｅｔ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（８ワットのマイクロスケール軸方向磁束磁石発電機の設計の最適化）」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６．１６：ｐ．Ｓ２９０−Ｓ２９７。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、熱交換器およびその使用法（例えば、装置の冷却方法）に関する。
【０００７】
一態様において、本発明は、空洞を画定する静止要素、可動要素、および前記静止要素によって画定される空洞と流体連通する第１のヒートパイプを含む装置を特徴とする。各種の態様において、前記装置は、複数の羽根を有する可動要素を特徴とする。他の態様において、可動要素と静止要素は略平行であり、可動要素の一部は、静止要素の一部と重なり合う。各種の実施形態において、可動要素は、少なくとも３０％、６０％、またはそれ以上の静止要素の表面領域と重なり合う。他の態様において、前記装置は、複数の可動要素と交互に配置される複数の静止要素を特徴とする。
【０００８】
他の態様において、前記装置は、前記ヒートパイプと流体連通する空洞を画定する熱接触板を含む。
【０００９】
他の態様において、前記装置は、可動要素を回転させることに適するモータを含む。各種の態様において、このモータは、永久磁石型同期電動機である。
【００１０】
他の態様において、前記装置は、静止要素の空洞内に吸上げ芯（wick）を含む。各種の実施形態において、前記装置は、ヒートパイプ内に吸上げ芯を含む。一部の実施形態において、吸上げ芯は焼結粒子の合成物である。いくつかの態様において、吸上げ芯は、約１０μｍから約１００μｍの範囲の高さ、約５００ｎｍから約５０μｍの範囲の幅、約５００ｎｍから約５０μｍの範囲の長さ、約５００ｎｍから約５０μｍの範囲のピッチを有する一連の柱である。
【００１１】
他の態様において、前記装置は、約６４立方インチ未満の全体積を有する。各種の実施形態において、前記装置は、全体として、約５ｃｍ〜約１０ｃｍ×約５ｃｍ〜約１０ｃｍ×約５ｃｍ〜約１０ｃｍの範囲である。
【００１２】
他の態様において、静止要素、可動要素、熱接触板、ヒートパイプ、および前記装置の任意の構成要素のうちの少なくともいずれかは、銅、アルミニウム、シリコン、黒鉛、鋼、ステンレス鋼、チタン、ダイアモンド、銀、グラフェン、これらの合金、およびこれらの混合物から作製することができる。
【００１３】
他の態様において、前記装置は、前記ヒートパイプ内、および前記静止要素によって画定される空洞内に作動流体を含む。各種の実施形態において、前記作動流体は、水、アンモニア、メタノール、エタノール、およびこれらの混合物であってよい。他の態様において、作動流体は、約４０℃と約１５０℃の間の蒸発温度を有することができる。
【００１４】
各種の実施形態において、静止要素および対応するヒートパイプの区画は、モノブロックから作製される。各種の実施形態において、第１のヒートパイプ区画は、静止要素の上面から上に一定の距離で延び、第２のヒートパイプ区画は、静止要素の底面から下に一定の距離で延び、複数の静止要素が、等間隔で互いに積層される。
【００１５】
他の態様において、前記可動要素は空洞を画定する。
【００１６】
他の態様において、前記装置は、可動要素の空洞と連通する第２のヒートパイプと、空洞を画定する熱接触板とを含む。
【００１７】
他の態様において、前記ヒートパイプは、約１ｍｍ未満の直径、または約５ｍｍ未満の直径を有する。
【００１８】
他の態様において、前記ヒートパイプおよび前記静止要素は、同一の材料で形成される。
【００１９】
各種の実施形態において、前記装置は、約０．５Ｋ／Ｗに満たない全体熱抵抗を有する。各種の実施形態において、前記装置は、約０．２５ｋＷから約１ｋＷまでの熱を放散できる。
【００２０】
一態様において、本発明は、空洞を画定する熱接触板に負荷から熱を伝達し、前記熱接触板によって画定される空洞から、前記熱接触板とは異なる第１のヒートパイプ内に作動流体を流し、静止要素に対して可動要素を移動させることを含む方法を特徴とする。他の態様において、前記方法は、前記第１のヒートパイプから、静止要素によって画定される空洞に前記作動流体を送ることを含む。各種の実施形態において、前記方法は、前記静止要素によって画定される空洞から前記熱接触板によって画定される空洞に作業流体を吸上げることを含む。
【００２１】
他の態様において、前記方法は、複数の羽根を有する可動要素を含む。他の態様において、前記方法は、実質的に平行である可動要素と静止要素とを含み、前記可動要素の一部は、前記静止要素の一部と重なり合う。他の態様において、前記方法は、可動要素が、前記静止要素の表面領域の少なくとも３０％、６０％、またはそれ以上と重なることを含む。他の態様において、前記方法は、前記可動要素と交互に配置される静止要素を含む。
【００２２】
他の態様において、前記方法は、前記可動要素の一部が前記静止要素の一部と重なり合うことを含む。各種の実施形態において、前記方法は、前記可動要素を回転させることを含む。
【００２３】
他の態様において、前記方法は、可動要素によって画定される空洞まで第２のヒートパイプから第２の作動流体を流すことを含む。
【００２４】
他の態様において、前記方法は、熱接触板によって画定される空洞から第１のヒートパイプ内を通る作動流体の流れと同じ方向に空気が流れることを防止することを含む。
【００２５】
他の態様において、前記方法は、半導体チップであってよいデバイスからの負荷を含む。
【００２６】
他の態様において、前記方法は、ロータを用いて前記可動要素を回転させることを含む。他の態様において、前記方法はモータを含み、前記モータは永久磁石型同期電動機であってよい。
【００２７】
他の態様において、前記方法は、焼結粒子を用いて作動流体を吸上げることを含む。各種の実施形態において、前記方法は、高さが約１０μｍから約１００μｍの範囲、幅が約５００ｎｍから約５０μｍの範囲、長さが約５００ｎｍから約５０μｍの範囲、およびピッチが約５００ｎｍから約５０μｍの範囲である一連の柱を用いて、作動流体を吸上げることを含む。
【００２８】
他の態様において、熱は、全体積が約６４立方インチに満たない装置を用いて低減される。各種の実施形態において、熱は、全体寸法が約１０ｃｍ×約１０ｃｍ×約１０ｃｍである装置を用いて低減される。他の態様において、熱は、約０．５Ｋ／Ｗ未満の全体熱抵抗を有する装置を用いて低減される。他の態様において、前記方法は、約１ｋＷの熱を放散することを含む。
【００２９】
他の態様において、前記方法は、銅、アルミニウム、シリコン、黒鉛、鋼、ステンレス鋼、チタン、ダイアモンド、銀、グラフェン、これらの合金、およびこれらの混合物から作製される静止要素、可動要素、熱接触板、ヒートパイプ、または前記装置の任意の構成要素を含む。各種の実施形態において、前記方法は、同一の材料で形成される第１のヒートパイプおよび静止要素を含む。
【００３０】
他の態様において、前記方法は作動流体を含み、この作動流体は、水、アンモニア、メタノール、エタノール、またはこれらの組み合わせであってよい。各種の実施形態において、前記方法は、約４０℃から約１５０℃の範囲の蒸発温度を有する作動流体を含む。
【００３１】
他の態様において、前記方法は、静止要素を含み、この静止要素は、当該静止要素と一体に形成される関連ヒートパイプ区画を有する。
【００３２】
他の態様において、前記方法は、空洞を画定する可動要素を含む。
【００３３】
他の態様において、前記方法は、可動要素によって画定される空洞を通って作動流体を流動させることを含む。
【００３４】
他の態様において、前記方法は、約１ｍｍ未満、または約５ｍｍ未満の直径を有する第１のヒートパイプを含む。
【００３５】
一態様において、本発明は、静止要素に対して可動要素を移動させ、前記静止要素の間に空気を送ることを含む方法を特徴とし、前記方法において、前記可動要素および前記静止要素は交互に配置され、前記可動要素の少なくとも一部は、前記静止要素の少なくとも一部と重なり合う。
【００３６】
本明細書において、「蒸気ヒートパイプ」および「液体ヒートパイプ」は、本発明の実施形態を説明する便宜上用いたものである。これらの用語は、ヒートパイプが、特定の相の作動流体、または特定のタイプの作動流体を移送できるのみであることを意味するものではない。
【００３７】
他の態様、特徴、および利点は、下記の実施形態の説明および請求項から明瞭であろう。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】熱交換器の実施形態を示す斜視図である。
【図２Ａ】図１に示した熱交換器の断面図である。
【図２Ｂ】図１に示した熱交換器の一部を詳細に示す断面図である。
【図３Ａ】ロータの実施形態を示す平面図である。
【図３Ｂ】線Ａ−Ａ’に沿って切断した、図３Ａに示すロータの断面図である。
【図４Ａ】ステータの実施形態を示す平面図である。
【図４Ｂ】線Ｂ−Ｂ’に沿って切断した、図４に示すステータの断面図である。
【図５Ａ】液体流Ｌの方向を図示した、溝付き吸上げ芯の設計構造を示す断面図である。
【図５Ｂ】液体流Ｌの方向を図示した、柱状／突起状吸上げ芯の設計構造を示す断面図である。
【図６】分離チャンバを有する蒸発器アセンブリの実施形態を示す図である。
【図７】サブクーラアセンブリを有する凝縮器の実施形態を簡略化して示す断面図である。
【図８】補償チャンバアセンブリを有する凝縮器の実施形態を簡略化して示す断面図である。
【図９】二層平型吸上げ芯構造体の実施形態を示す図である。
【図１０】異なる試料の透過率およびＭＣＰの特性決定に使用される実験装置の模式図である。
【図１１】駆動圧力の関数として、異なる試料の流量の特性決定結果を示す図である。
【図１２】例示的微細構造吸上げ芯の作製に用いた、５種類の大きさの球状銅粒子の走査型電子顕微鏡写真を示す図である。
【図１３】二層吸上げ芯の断面の走査型電子顕微鏡写真を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１、図２Ａ、および図２Ｂに、半導体チップを含むデバイスなどの負荷によって生成される熱を放散できる熱交換器２０を示す。熱交換器２０は、熱負荷２５を受け取る熱接触板２２、および前記熱接触板から延びる支持体またはハウジング２６を含む。支持体２６内に、交換器２０は、サーマルステータプレート（すなわちステータ）２８と羽根付きロータプレート（すなわちロータ）３０とから成る積層体を含む。ステータ２８およびロータ３０は、熱接触板２２に対して、および互いに略平行であり、かつ、交番式に積層される。ロータ３０は、モータ３２によってステータ２８の間で移動することができ、モータ３２は、（矢印Ｒ方向に）回転可能な駆動ドラフト３４によってロータに連結される。交換器２０は、熱接触板２２内のボイラ３６、および熱接触板２２からステータ２８まで延びる複数のヒートパイプ３８を更に含む。下記で詳しく説明するように、ヒートパイプ３８は、ヒートパイプ３８と、熱接触板２２と、ステータ２８とを通って流動できる作動流体を含む。
【００４０】
簡潔に述べると、動作において、熱負荷２４が熱接触板２２に付与されると、モータ３２を起動して、ロータ３０を回転させる。付与された熱負荷２４は、作動流体によって吸収されて、熱接触板２２、ヒートパイプ３６、およびステータ２８の中で作動流体を流動させる。同時に、空気流が、ロータ３０の動作によって交換器２０内に導入される（矢印Ａ）。この空気は、駆動軸３４と平行に、ステータ２８とロータ３０の間を流れて（矢印Ｆ）、ヒートパイプ３６およびステータ内の作動流体を冷却する。この結果、熱負荷２４が放散する。
【００４１】
ロータ３０は、ステータ２８に対して移動するときに、熱交換器２０を通る空気の流れを促進するように構成される。図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、各ロータ３０は、軸穴３０８を画定するロータハブ３０６、前記ロータハブに連結されてその径方向に延びる複数のスポーク３０４、前記スポークに連結された中実円形ディスク３１２、および前記ディスク上の複数の羽根３１０を含む。軸穴３０８は、駆動軸３４を収容するように構成されるため、前記駆動軸がロータハブ３０６と係合してロータ３０を回転させることができる。スポーク３０４とディスク３１２の間において、各ロータ３０には、熱交換器２０全体の空気流（矢印Ａ）、およびロータ３０とステータ２８の間の空気流を促進する複数の貫通空気通路３０２が画定される。図３Ａおよび図３Ｂに示すように、各ロータ３０は、略円形のディスク３１２を有するが、他の実施形態において、このディスクは、円形以外の形状（たとえば、長円形、楕円形、正多角形、または不規則多角形）である。ディスク３１２は、径方向外側に延びる複数の丸い突起を含む形状を持つこともできる。
【００４２】
引き続き図３Ａおよび図３Ｂを参照して説明すると、各ディスク３１２は、熱交換器２０を通る空気の流れを増大するように構成される羽根３１０を含む。図示するように、ディスク３１２は、上面３１４および底面３１６を含み、羽根３１０は、その両方の面に存在する。羽根３１０は、面３１４，３１６から軸方向と径方向の両方に延びる。羽根３１０は、略垂直方向において各面３１４，３１６から軸方向に延びてよいが、他の実施形態において、羽根は、前述の面に対して他の方向に傾斜していてもよい。羽根３１０は、ディスク３１２の内側端部３１７からディスクの外側端部３１８まで完全に、または部分的に径方向に延びてよい。羽根３１０は、直線的に径方向に延びても、または湾曲していてもよい（図３Ａに示した状態）。羽根３１０は、ロータ３０の回転方向とは逆の方向に湾曲してもよい。面３１４，３１６上の各羽根３１０は、同一の構成、または異なる構成であってよい。一部の実施形態において、ディスク３１２は、一方の面３１４または３１６のみに羽根３１０を含む。
【００４３】
ロータ３０は、剛性があり機械的に堅牢な任意の材料を含むことができる（例えば、このような材料のみで構成することができる）。材料の例には、熱伝導性の高いもの、例えば、銅、アルミニウム、シリコン、黒鉛、鋼、ステンレス鋼、チタン、ダイアモンド、銀、グラフェン、これらの合金、およびこれらの混合物なども含まれる。ロータ３０の構成要素は、同一材料から作製されても、または異なる材料を各種組み合わせて作製されてもよい。一例として、ハブ３０６およびスポーク３０４を一つの材料から作製し、ディスク３１２を他の材料から作製することができる。ロータ３０の構成要素は、単一ブロックの材料から作製されても、または個別に作製され、その後で組み立てられてロータを形成してもよい。一例として、ディスク３１２、スポーク３０４、およびハブ３０６を個別に作製して組み立てて、ロータ３０を形成することができる。
【００４４】
ロータ３０の寸法は特に限定されない。一部の実施形態において、ロータ３０は、約２５ｍｍから約３００ｍｍの範囲、例えば、約８０ｍｍ、または約１００ｍｍの直径を持つ。
【００４５】
図４Ａおよび図４Ｂを参照して説明すると、各ステータ２８は、ボイラ３６およびヒートパイプ３８内を流れる作動流体によって運ばれる熱を放散するように構成される。図示するように、各ステータ２８には、複数の内部空洞、すなわち蒸気チャンバ２８０（図では４つ）と、複数の蒸気供給口２８２と、複数の液体排出口２８４とが形成される。各蒸気チャンバ２８０は、一つの蒸気供給口２８２と、一つの液体排出口２８４とに流体連通する。各蒸気供給口２８２および各液体排出口２８４は、更に、ボイラ３６と流体連通している個別のヒートパイプ３８と流体連通する。これにより、作動流体は、ボイラ３６から第１の「蒸気」ヒートパイプ３８を通り、蒸気供給口２８２から蒸気チャンバ２８０内に流れ、液体排気口２８４から第２の「液体」ヒートパイプ３８を通ってボイラに戻ることができる。ステータ２８の大きい表面領域全体に作動流体を流すことによって、負荷２４からの熱の放散を向上させることできる。
【００４６】
蒸気チャンバ２８０およびヒートパイプ３８の他の実施形態を構築することができる。例えば、ステータ２８内の各蒸気チャンバ２８０は、同じ配置のヒートパイプ３８を含むことができる。単一のヒートパイプ３８を用いて、蒸気チャンバ２８０に作動流体を送ることができ、第２の単一のヒートパイプを用いて、蒸気チャンバ２８０から流体を排出することができる。複数のヒートパイプ３８を用いて、蒸気チャンバ２８０に作動流体を送ることができると共に、またはこれに代えて、複数のヒートパイプ３８を用いて、蒸気チャンバ２８０から作動流体を排出することができる。ヒートパイプ３８の配置は、ステータ２８内の各蒸気チャンバ２８０において同一である必要はない。蒸気チャンバ２８０に作動流体を送るヒートパイプ３８の数は、蒸気チャンバ２８０から作動流体を抜き取るヒートパイプ３８の数と一致しなくてもよい。
【００４７】
特に図４Ｂを参照すると、各蒸気チャンバ２８０は、蒸気チャンバの表面積を大きくする複数の溝を含む。この溝２８６のいくつかは、蒸気供給口２８２に当接して、蒸気供給口からステータ２８全体への作動流体（例えば、気化した作動流体）の分散を支援する。他の溝２８８は、液体排出口２８４に当接して、蒸気チャンバ２８０から液体排出口２８４への作動流体（例えば、液体の作動流体）の排出を支援する。このため、作動流体（例えば、気化した作動流体と加熱された作動流体の少なくともいずれか）が「蒸気」ヒートパイプ３８および蒸気供給口２８２を介して蒸気チャンバ２８０に進入すると、その作動流体は、溝２８６によってステータ２８全体に分散される。この後、作動流体が冷却されると、作動流体（例えば、凝結液体および冷えた作動流体の少なくともいずれか）は、溝２８８を通って液体排出口２８４まで流れ、「液体」ヒートパイプ３８からボイラ２６に戻ることができる。
【００４８】
一部の実施形態において、蒸気チャンバ２８０内（例えば、液体排出溝２８８内）および「液体」ヒートパイプ３８内の液体流Ｌは、蒸気チャンバ２８０とヒートパイプの少なくともいずれかの中の吸上げ作用材料２９０によって達成または促進される。吸上げ作用材料２９０は、焼結粒子（例えば、焼結銅粒子）、カーボンナノチューブ、シリコン、または銅の突起を含むことができる。一部の実施形態において、吸上げ作用材料２９０は、蒸気チャンバ２８０および「液体」ヒートパイプ３８の少なくともいずれかの内面から延びる一連の突起（例えば、柱）を含む。この突起は、毛管吸上げ作用または表面張力によって作動流体を流動させる任意の方式で寸法決め、および配置されてよい。一部の実施形態において、突起は、ミリメートル以下の寸法を持っていてよい。突起は、ミリメートルからミクロンの寸法のピッチで領域に配置されてよい。突起は、長さが約５００ｎｍから約５０μｍの範囲、幅が約５００ｎｍから約５０μｍの範囲、および高さが約１０μｍから約１００μｍの範囲である寸法を持っていてよい。また、突起は、約５００ｎｍから約５０μｍの中心間ピッチの間隔で配置されてよい。このピッチは、柱の領域全体で統一されている必要はない。ピッチは、突起の領域全体で各種の向きおよび各種の方式で変化してよい。例えば、ピッチを変えて、流れを特定の方向に向けることができる。突起は、作動流体の適用先および物理特性に応じて、寸法と形状とを変えることができる。突起の例は、非特許文献１に記載されており、この非特許文献１を本明細書の一部として援用する。ステータ２８は、任意の剛体材料を含む（例えば、剛体材料単独で作製する）ことができる。材料の例としては、熱伝導率の高いもの、例えば、銅、アルミニウム、シリコン、黒鉛、鋼、ステンレス鋼、チタン、ダイアモンド、銀、グラフェン、これらの合金、およびこれらの混合物が挙げられる。各種の実施形態において、蒸気供給口２８２および液体排出口２８４に連結されたステータ２８と、ヒートパイプ３８とは、単一ブロックの材料（「モノブロック」）から作製される。各種の実施形態において、ステータ２８に対応付けられたヒートパイプ３８は、複数のステータが積層されたときに、これらのステータが全て等距離になるように、ステータの上面およびステータの底面を超えて延びる。
【００４９】
ヒートパイプの良好な動作は、複雑な積層幾何形状を通る効果的な水の吸上げ作用に依拠する。各種の吸上げ芯サイズは、蒸発器内の高い駆動圧力、かつ、流体移動区画内の低い透過率をもたらすものでなければならない。
【００５０】
また、凝縮器は、上部の層からの液体で下部の層を水浸しにする傾向のある重力に抗する十分な毛細管力を必要とする。凝縮器区画における二層の吸上げ芯設計により、装置は向きに左右されなくなる。蒸発器内の１μｍ細孔の主要吸上げ芯は、粘性損失に打ち勝つ大きな毛管圧力を提供するのに対し、〜１００μｍ（大細孔）の吸上げ芯は、液体流に高透過率経路を提供し、〜１０μｍ（小細孔）の吸上げ芯は、逆流を防止する高い破壊圧力を提供する。
【００５１】
ステータ２８の寸法は特に限定されない。一部の実施形態において、各ステータ２８は略平坦な面を持つ。ステータ２８の形状は、円形、長円形、楕円形、または３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、もしくは８つ以上の面を有する正多角形もしくは不規則多角形であってよい。ステータ２８は、熱交換器２０の設置面積をほぼ規定してよいが、他の実施形態において、ステータは、熱接触板２２よりも小さい設置面積を有し、熱交換器の設置面積を規定しない。ステータ２８の積層体とモータ３２とによって、熱交換器２０の高さが概ね規定される。各種の実施形態において、各ステータ２８は、約２５ｍｍから約３００ｍｍの範囲の長さ、もしくは幅、またはその両方を有する。各種の実施形態において、ステータは、約１ｍｍから約２５ｍｍの高さである。形状と大きさの少なくともいずれかが異なるステータ２８を用いて、熱交換器２０を作製することができる。
【００５２】
図示するように、ステータ２８およびロータ３０は、積層されたときに、積層体の長手方向の軸に沿った視点から見て互いに重畳するように作製される。ロータ３０は、ステータ２８の表面領域の任意の部分と重なることができる。重なり合う表面領域の大きさは、熱交換器２０の用途および構造に応じて変えることができる。一部実施形態において、少なくとも１つのロータ３０は、ステータ２８の表面領域の少なくとも約１０％、少なくとも約２０％、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、または少なくとも約９０％だけ、少なくとも一つのステータ２８と重なり合う。ステータ２８およびロータ３０は、ロータがステータと干渉せずに自由に回転できるように配置される。一部の実施形態において、ロータ３０の表面とステータ２８の最接近表面との間の距離または間隙は、約３００μｍから約１ｍｍの間である。
【００５３】
再び図２Ａを参照して説明すると、ヒートパイプ３８は、ボイラ３６とステータ２８の間で作動流体を移送するように構成される。前述したように、ステータ２８の各蒸気チャンバ２８０は、蒸気チャンバに作動流体を送る一つ以上の「蒸気」ヒートパイプ３８と、蒸気チャンバから作動流体を排出する一つ以上の「液体」ヒートパイプと、を個別に含むことができる。「液体」ヒートパイプ３８は、既に説明したように、吸上げ作用材料２９０を含むことができる。
【００５４】
ヒートパイプ３８は、任意の剛体材料を含む（例えば、剛体材料のみで作製すること）ができる。材料の例としては、熱伝導率の高いもの、例えば、銅、アルミニウム、シリコン、黒鉛、鋼、ステンレス鋼、チタン、ダイアモンド、銀、グラフェン、これらの合金、およびこれらの混合物などが挙げられる。前述したように、ヒートパイプ３８は、ステータ２８と共に単一ブロックの材料から作製されてよい。また、ヒートパイプ３８の断面は、任意の形状（例えば、円形、長円形、楕円形、または３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、もしくは８つ以上の面を有する正多角形もしくは不規則多角形）に形成されてよい。図示するように、ヒートパイプ３８は、熱接触板２２からステータ２８と垂直な方向に概ね延びるが、ヒートパイプ用の代替経路を利用することもできる。
【００５５】
引き続き図２Ａを参照すると、熱接触面２２は、熱負荷２４と直接接触するように構成されている。各種の実施形態において、熱接触面２２と熱負荷２４の間に、熱伝導ペーストや他の材料が使用される。熱接触板２２は、熱負荷２４の供給元のサイズもしくは形状に適合する、または適用先の各種の要件に適合するものであれば、各種のサイズまたは形状を持つことができる。例えば、熱接触板２２の断面は、任意の形状（例えば、円形、長円形、楕円形、または３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、もしくは８つ以上の面を有する正多角形もしくは不規則多角形）に形成されてよい。図示するように、熱接触板２２は実質的に平坦である。一部の実施形態において、熱接触板２２は、約２５ｍｍから約３００ｍｍの範囲の長さおよび幅、ならびに約１ｍｍから約２５ｍｍの範囲の高さを有する。
【００５６】
熱接触板２２は、各種の剛体材料を含む（例えば、剛体材料のみで形成する）ことができる。材料の例としては、熱伝導率の高いもの、例えば、銅、アルミニウム、シリコン、黒鉛、鋼、ステンレス鋼、チタン、ダイアモンド、銀、グラフェン、これらの合金、およびこれらの混合物などが挙げられる。
【００５７】
熱交換器２０は、熱接触板２２内にボイラ３６を含み、このボイラ３６は、作動流体を含み、かつ、ヒートパイプ３８と流体連通する。動作中、熱負荷２４からの熱は、ボイラ３６内で作動流体に伝達される。加熱された（例えば、気化された、または液体状の）作動流体は、次に、ボイラ３６からヒートパイプ３８を通ってステータまで流れることができる（「蒸気」流Ｖ）。熱交換器は、複数の独立したボイラ３６を備えることができ、この各ボイラは、一つ以上の蒸気チャンバ２８０と流体連通するが、他の一部の蒸気チャンバとは流体連通しない。これに代えて、熱交換器は、全ての蒸気チャンバ２８０と流体連通する単一のボイラ（例えば、環状のボイラ）を備えることができる。
【００５８】
モータ３２は、回転可能な駆動軸３４を駆動するように構成されるため、ロータハブ３０６を介して前記軸と係合するロータ３０を回転させる。駆動軸３４およびロータ３０の回転は、熱交換器を通る空気流を生成する（矢印ＡおよびＦ）。空気流の速度は、ロータ３０の回転速度を用いて制御することができる。ロータ３０の回転速度は、例えば、約６０ｒｐｍから約１０，０００ｒｐｍの範囲であってよい。各種の実施形態において、空気流は、最上部のロータ３０から進入し、熱接触板２２に向かって流れると共に、ロータ３０とステータ２８の間の間隙を通って径方向にも流れる。各種の実施形態において、空気流の方向は、ボイラ３６からステータ２８に向かう作動流体の流れ方向に対して逆流となる。モータ３２の例は、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４に記載されるような永久磁石型同期電動機である。これらの文献は、本願の一部として援用する。
【００５９】
作動流体は、熱の吸収と放出が可能な各種の流体を含むことができる。作動流体は、大気温度および大気圧において液体または気体であってよい。作動流体は、大気より低い気圧（例えば、真空状態）、大気圧、または高気圧（例えば、１気圧を超える約５気圧までの気圧）で、熱交換器２０内に存在してよい。一部の実施形態において、作動流体は、約−２５℃から約２００℃の範囲、例えば、約４０℃から約１５０℃の蒸発温度を有する。２つ以上の作動流体が熱交換器２０内に存在してもよい。例えば、第２の作動流体を、第１の作動流体に混合（混和性混合または非混和性混合）することができる。複数の作動流体は、他のボイラ、他のヒートパイプ、もしくは他の蒸気チャンバ、またはこれら全てに対して流体連通しないボイラ３６、ヒートパイプ３８、および蒸気チャンバ２８０を形成することによって、互いに分離された状態に維持することができる。作動流体の例としては、水、アンモニア、メタノール、エタノール、およびこれらの混合物が挙げられる。
【００６０】
動作において、熱交換器２０は、熱源２４（例えば、半導体デバイス）から周囲環境に熱を伝達するように構成される。具体的には、熱は、熱負荷２４から熱接触板２２に伝わり、その後、ボイラ３６に収容された作動流体に伝わる。加熱された作動流体は、「蒸気」ヒートパイプ３８を通ってステータ２８に向かって流れる。熱は、作動流体からヒートパイプ３８に伝達される。この後、作動流体は、蒸気チャンバ２８０内に流入し、その内部で（例えば、蒸気分散溝２８６に沿って）流動して冷える。冷えた作動流体は、（例えば、液体排出溝２８８に沿った吸上げ作用によって）第２の「液体」ヒートパイプ３８に流入する。作動流体は、次に、第２の「液体」ヒートパイプ３８を通ってボイラ３６に戻る。一部の実施形態において、冷えた作動流体は、「蒸気」ヒートパイプ３８を通ってボイラ３６に戻る。
【００６１】
作業流体が熱交換器２０内を流れるときに、モータ３２は、ロータ３０を回転駆動して熱交換器の中で空気を移動（矢印ＡおよびＦ）させる。この空気の流れは、ステータ２８、ヒートパイプ３８、および熱交換器２０の他の構成要素から熱を放散させる。緩やかな空気の流れでも熱交換器２０から熱を放散させることができる。
【００６２】
熱交換器２０を使用して、各種の発生元からの何らかの熱負荷２４を放散できる。各種の実施形態において、熱交換器２０は、約０．５Ｋ／Ｗの全体熱抵抗を持つ。各種の実施形態において、熱交換器２０は、約１ｋＷの熱エネルギを放散する能力を持つ。各種の実施形態において、熱交換器２０は、約１０５０立方センチメートルを超えない体積を占める。各種の実施形態において、熱交換器２０の一つ以上の寸法は、約２５ｍｍから約３０ｍｍの範囲である。
【００６３】
いくつかの実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００６４】
例えば、空洞を画定するステータ２８に代えて、または加えて、ロータ３０が空洞を画定することができる。ロータ３０によって画定される空洞は、ステータ２８によって画定された空洞と同様であってよい。作動流体は、駆動軸３４を通ってロータ３０に流出入することができる。各種の実施形態において、作動流体は、駆動軸３４と平行なヒートパイプ３８を通ってロータの空洞に流出入できる。
【００６５】
他の例として、一つ以上（例えば、全て）のステータにおいて、蒸気チャンバが存在する必要はない。これらのステータには作動流体は流入しないが、ヒートパイプ３８がこれらのステータと物理的に接触して、ボイラ３６（例えば、従来の熱フィンなど）から流れてくる作動流体から熱を放散できる。
【００６６】
一部の実施形態において、ロータ３０およびステータ２８は重畳しない。例えば、ロータ３０の最も外側の幅または寸法は、ステータ２８によって画定される中心開口の幅または直径以下であってよい。
【００６７】
ロータ３０（「Ｒ」）およびステータ２８（「Ｓ」）は、図において「Ｒ，Ｓ，Ｒ，Ｓなど」のように交互に図示されているが、他の実施形態において、ロータおよびステータは、異なる方式、例えば、ステータの間に複数のロータ、またはこの逆の方式で積層することができる。例えば、ロータ３０およびステータ２８は、「Ｒ，Ｒ，Ｓ，Ｒ，Ｒ，Ｓ，．．．」、「Ｓ，Ｓ，Ｒ，Ｓ，Ｓ，Ｒ，．．．」、「Ｒ，Ｒ，Ｓ，Ｓ，Ｒ，Ｒ，Ｓ，Ｓ，．．．」のように積層することができる。２つより多く（例えば、３つ、４つ、または５つ以上）のロータが、２つ以上のステータの間に存在しても、もしくは、２つより多く（例えば、３つ、４つ、または５つ以上）のステータが、２つ以上のロータの間に存在しても、またはその両方であってもよい。
【００６８】
熱交換器システムは、重力場に積層されるステータとして、複数の平行な平形凝縮器５０を含むことができる。これらの凝縮器内の吸上げ芯構造体２９０を用いて、凝縮プロセスの場所を分散させて固定する。
【００６９】
一部の実施形態において、２層の吸上げ芯設計を利用して、重力および向きによって生じ得る圧力変動を補償する。この２層の設計では、凝縮器から出てくる液体の通過経路として機能する大細孔焼結物の高い透過率と、通常の動作中に凝縮器が水浸しになることを防ぐ遮断壁として機能する微小細孔焼結物とを組み合わせる。
【００７０】
製造上のばらつきにより、液体と蒸気の圧力差を補償する焼結物の能力は、液体の圧力が蒸気の圧力よりも高い場合とは対照的に、蒸気の圧力が液体の圧力よりも高いときに劇的に大きくなる。これは、進入方向と後退方向の接触角度の違い、特に、焼結面における疵の大きさのばらつきによるものである。
【００７１】
この影響を補償して有利に活用する設計によって、蒸発器および凝縮器の吸上げ芯の液体側圧力が蒸気側圧力よりも低くなる。機械の液体側の圧力は、機械的、熱的、能動的、または受動的に維持することができる。この例として、能動制御されるピストンが挙げられ、このピストンは、機械の液体側において所定の圧力を維持するように駆動される。容量（補償容量）内の液体および気体を能動的に冷却または加熱することも、液体側圧力の制御に利用できる。受動的機械式補償方法は、圧力を所定のレベルに保持することに適する要素を利用することを含んでよい。これは、例えば、液体空間に非凝縮性ガス充填ベローを用いて実現できる。熱的な受動的補償方法としては、液体空間の区画に、環境温度および動作温度に対応する温度で、意図的に蒸気気泡を生成し、その気泡の飽和圧力に液体側圧力を固定することが挙げられる。
【００７２】
図６を参照すると、熱的受動的な補償設計の具体的な実施形態が示されている。図６は、蒸発器システムの簡略図である。熱は、蒸発器３６の底面に移動して微小吸上げ芯構造体２９０まで流れ、そこで、吸上げ芯構造体２９０の表面から蒸気が蒸発する。この蒸気は、開口した溝の中に集められ、温度Ｔ1において蒸気出口３８から流出する。液体は、液体入口孔３８から分離チャンバ内に流入する。この液体は、分離チャンバ内の開口した溝を通って流れ、吸上げ芯材料２９０内に進入して、吸上げ芯から蒸発器の底部の蒸気溝に流れ込む。分離チャンバは、上面の冷たい空気流によって十分に低い温度Ｔ4に維持されるため、開口した液体通路内の液体が沸騰することはない。分離チャンバ４０と蒸発チャンバ３６とは、チャンバ同士の間での熱の伝達を最小限に抑えるために、絶縁材料（図６では空気）によって分離されている。
【００７３】
図７を参照すると、凝縮器５０の簡略断面図が示されている。特定の実施形態において、凝縮器は、ステータ２８の一部であってよい。対応する各開口通路（２８６および２８４）内の蒸気および液体の流れは、図の平面に対して垂直である。凝縮器は、その両側が空気流によって冷却される。温度Ｔ1における飽和蒸気は、吸上げ芯の表面に凝結し、その結果生じる液体が吸上げ芯２９０内に入って液体通路に向かう。液体が吸上げ芯２９０を通って流れるときに、その液体は、吸上げ芯の領域５４に入る。この領域５４は、液体が飽和温度Ｔ1から温度Ｔ3の間で流動するときに、その液体のサブクーリングを行う役割を担う。液体溝内の液体の圧力は、焼結物から外に出るときに液体が沸騰することを防げる十分な高さに維持される。このことは、具体的には、温度Ｔ3が、凝縮器の液体溝内の液体の飽和温度より下でなければならないことを意味する。
【００７４】
図８は、補償チャンバ５６が設けられた凝縮器５０を簡略化して示した断面図である。ここでも、対応する各開口通路（２８６および２８４）内の蒸気と液体の流れは、図面の平面に垂直である。補償チャンバ５６は、蒸発器アセンブリへの液体の戻り部に連結された開口空間である。動作において、補償チャンバには、液体と蒸気の両方が充填される。この凝縮器／補償装置は、一方の側が空気流によって冷却される。温度Ｔ1における飽和蒸気は、吸上げ芯表面２９０に凝結し、その結果得られる液体が吸上げ芯内に入り、液体通路に向かう。液体が吸上げ芯２９０を通って流れるときに、その液体は、飽和温度Ｔ1から温度Ｔ3までサブクーリングされる。補償チャンバ５６は、蒸気溝と液体溝の間に配置され、吸上げ芯構造体のサブクール区画の中央部分と良好に熱接触する。このため、補償チャンバ５６は、凝縮器に入る蒸気の温度である温度Ｔ1と、凝縮器から出る液体の温度Ｔ3との間に位置する温度Ｔ2に維持される。温度Ｔ2は、開口した液体溝２８４内の最も高い温度（Ｔ1＞Ｔ2＞Ｔ3〜Ｔ4）であるため、蒸気は優先的にこの空間に形成して、液体チャンバ２８４全体の圧力を、温度Ｔ2に対応する蒸気圧力に固定する。
【００７５】
補償チャンバ５６を備える単独の凝縮器５０は、凝縮器またはステータの積層体の最上部に配置される。全ての凝縮器は、上記で説明したものと同様の方式で、ヒートパイプ３８を介して蒸発器に連結される。また、補償チャンバは、ヒートパイプと同様の設計により、全ての凝縮器の液体側に結合される。
【００７６】
動作において、飽和蒸気温度よりも低い温度に補償チャンバを維持することによって、凝縮器と蒸発器の両方においてメニスカスが減少することが保証され（メニスカスは、蒸気の凹んだ表面に存在する）、これは、表面張力によって大きい圧力差を補償できる方向である。補償チャンバ温度の下限は、装置の開口した液体空間内の他の部分における最も高い温度によって決定される。液体通路内の他の部分の温度が補償チャンバの温度よりも高い場合、その場所に蒸気が形成して、補償チャンバ内のガス気泡が崩壊する。そして、システムの液体側の圧力が、液体通路内の高温の蒸気圧力になる。
【００７７】
熱の補償チャンバ５６は、凝縮器プレートへの設置に限定されない。補償チャンバ５６は、例えば、分離チャンバと蒸気チャンバの間に配置されて、これら２つのチャンバの温度の間の温度に維持することができる。
【００７８】
（実施例１）
表１および図１２の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ）に示すように、５種類の大きさの球状銅粒子を用いて、微細構造吸上げ芯を作製した。
【００７９】
【表１】
0005309225.tif 000002
【００８０】
最小の粒子（試料Ｅ）は市販のものを利用できたが、より大きい粉体は、篩にかけて各サイズを実現した。微小凝縮器吸上げ芯に粉体試料Ｅを選択し、より大きい各種の粉体を調査して、最適な粗度の吸上げ芯を特定した。粉体は、直径１５０ｍｍの環状炉（ＨＴＦ５５６６７Ｃ、リンドバーグ・ブルー（Ｌｉｎｄｂｅｒｇ−Ｂｌｕｅ））内で、２０℃／分の加熱速度で緩めに焼結した。収縮を最小限に抑えるため、より小さい粒子については、より低い温度、およびより短い時間で焼結した。Ｈ２が５％、Ｎ２が９５％という還元性雰囲気を陽圧で用いて、粒子に存在する酸化物を除去し、加熱中の酸化を防止した。吸上げ芯は、内径が４．８ｍｍの銅管内で作製した。銅粒子が焼結すると、その粒子が管に付着してプラグを形成する。吸上げ芯界面の両端に維持され得る最大毛細管圧力（ＭＣＰ：Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｃａｐｉｌｌａｒｙ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）は、有効細孔半径（ｒeff）に対して、ヤング−ラプラス関係によって次式で関連付けられる。
【００８１】
【数１】
0005309225.tif 000003
上式において、σ、およびαは、それぞれ、液体の表面張力、および接触角である。吸上げ芯を通る流れの圧力降下は、透過率（ｋ）および流量（Ｑ）に対して、ダルシーの法則によって次式で関連付けられる。
【００８２】
【数２】
0005309225.tif 000004
上式において、μ、ｌ、およびＡcsは、それぞれ、流体の粘土、流動長さ、および細孔媒体の断面積である。式（１）および（２）を用いて、実験データから有効細孔径および透過率を特性決定した。
【００８３】
図１０に、各試料の透過率およびＭＣＰの特性決定に用いた実験装置を模式的に示す。加圧貯留槽を用いて、流量計（Ｌ−５ＣＣＭ−Ｄ、アリカットサイエンティフィック（Ａｌｉｃａｔ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）社）、次に吸上げ芯の順で水を送った。レギュレータで駆動圧力を制御し、差圧変換機（ＥＤＷ１ＡＴ，ハネウェル（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ）社）で、吸上げ芯による圧力降下を測定した。
【００８４】
図１１に、駆動圧力の関数として、各試料の流量の特性決定結果を示す。式（２）を用いて特性決定した透過率の一覧を表２に示す。
【００８５】
【表２】
0005309225.tif 000005
【００８６】
一般に、粒径が大きくなると、所定の圧力降下に対して高流量になる。ただし、広範囲の粒径が含まれていると、透過率に悪影響を与える。０．５〜１５０μｍの範囲の粒径を有する試料Ｄは、ＡおよびＢよりも高い流動抵抗を示す。試料Ｄ内の小さい粒子が大きい粒子間の空隙を埋めて、透過率を低下させる。狭い範囲に篩分けされた大きい粒子で、最も高い透過率が得られた（試料Ａ）。
【００８７】
試料に水を導入し、液体が吸上げ芯全体に浸透するまで背面圧力をゆっくり上昇させて、ＭＰＣを測定した。測定された吸上げ芯のＭＣＰは、８４°の想定前進角度に基づいて表２に一覧を示した。
【００８８】
二層の平面状吸上げ芯構造体を作製するために、図９に示すように、より微細な粒子で表面の空隙を完全に満たして、粗い高透過性吸上げ芯のＭＣＰを増大させた。まず、黒鉛鋳型に、４０〜９０μｍの粉体を充填し、その後で、５〜１５μｍの粉体を表面に再充填した。余剰分は表面から削り落した。前述の手順を用いて、３０分間、８５０℃で粉体を焼結させた。
【００８９】
図１３に、二層吸上げ芯の断面を示す。細かい粉体は、粗い粉体の直径の約１．５倍の深さまで表面に埋め込まれた。この結果は、２つの層の間に中間的粒径の粉体を追加することにより、中間部の空隙がより効果的に埋められることを示唆している。これにより、より薄い微細吸上げ芯層と、より高い透過率とが得られた。
【００９０】
上記で言及した特許、特許出願、公報などの全ての参照文献は、本願明細書の一部として援用する。
【００９１】
更に他の実施形態も下記の請求項の範囲に入る。
【図１】
0005309225.tif 000006
【図２Ａ】
0005309225.tif 000007
【図２Ｂ】
0005309225.tif 000008
【図３Ａ】
0005309225.tif 000009
【図３Ｂ】
0005309225.tif 000010
【図４Ａ】
0005309225.tif 000011
【図４Ｂ】
0005309225.tif 000012
【図５Ａ】
0005309225.tif 000013
【図５Ｂ】
0005309225.tif 000014
【図６】
0005309225.tif 000015
【図７】
0005309225.tif 000016
【図８】
0005309225.tif 000017
【図９】
0005309225.tif 000018
【図１０】
0005309225.tif 000019
【図１１】
0005309225.tif 000020
【図１２Ａ】
0005309225.tif 000021
【図１２Ｂ】
0005309225.tif 000022
【図１２Ｃ】
0005309225.tif 000023
【図１２Ｄ】
0005309225.tif 000024
【図１２Ｅ】
0005309225.tif 000025
【図１３】
0005309225.tif 000026